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　　1前言

　　汽車的結構設計是一項系統(tǒng)工程。傳統(tǒng)汽車結構設計著重于其要完成的功能，形象比喻就是“輪子加沙發(fā)”，在可操控情況下完成載人載物運輸?shù)墓δ堋６�現(xiàn)代汽車設計在完成運載功能的同時要求安全、舒適、操控靈敏、低成本，甚至要把握壽命期限，控制設計壽命的概率。

　　研究汽車在載荷作用下的強度，其試驗和有限元分析已經成為了很大的一個技術門類，對汽車強度給出數(shù)值模擬結果，與同類試驗對比，綜合判斷強度是否合格，對設計給出關于強度性能的評價，承擔著設計把關和驗證角色。而如果將結構本身作為強度內因研究，將載荷作為強度外因研究，就牽扯到設計與分析試驗不同專業(yè)人員的密切合作，當設計人員會應用分析試驗手段，或當分析試驗人員充分了解了設計意圖，就是CAE在汽車工程領域作用**的時候，目前正在發(fā)展進步中。

　　2概念和理論

　　強度是一個廣義概念，包括極限靜態(tài)強度，動載瞬態(tài)強度，疲勞強度等。強度的概念，是指金屬材料在外載荷的作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力。強度按外力作用的性質不同，還可以分類為屈服強度、抗拉強度、彎曲強度、扭轉強度等。強度中疲勞強度的概念，是指結構在低于靜態(tài)極限強度載荷的重復載荷作用下，出現(xiàn)斷裂破壞的現(xiàn)象。疲勞裂紋的萌生包括六個微觀過程：位錯、屈服、滑移、滑移帶反向屈服、裂紋萌生、裂紋擴展。其中形成一定的微觀屈服區(qū)是其關鍵過程，疲勞極限其實是微觀屈服區(qū)的臨界應力。

　　汽車強度直接影響汽車的功能和耐久性。強度性能好，就會贏得用戶，是汽車的關鍵性能之一，非常重要。

　　載荷，可以是汽車及其零部件上所受的力；也可以是應變、位移、加速度、加速度場、熱載荷、風載荷等。

　　結構，是組成設計整體的各部分的搭配和安排，是構造形式和構造材料的結合體。結構一旦設計出來，不但確定了其功能，一定意義上它的剛度、強度能力也確定了。例如：小鋼勺的勺把兒在多次重復折彎后會疲勞斷裂，而繩子多次折彎不會斷裂，但是會被拉斷，其本身內在屬性決定了的。

　　在強度研究中，不僅要關注強度破壞的現(xiàn)象，更要關注引起強度失效的內在結構和外在載荷，因為外部載荷是強度破壞的外因，結構設計本身是強度破壞的內因。

　　3強度分析策略

　　3.1影響強度的因素

　　影響強度的因素從結構本身的內因分析，影響是根本性的：

　　材料的影響。彈性模量大，屈服極限高的材料能很好地抵抗載荷作用，有良好的強度屬性；目前流行采用高強度鋼。高強度鋼的屈服極限強度雖然有大幅度提高，但彈性模量和普通鋼差異不大，能改善強度但不能改善剛度，制約了結構設計。自然界結構幾乎都不是單一材料，動物植物的結構組成都很復雜，是多種材料組成的復雜結構，這些自然啟示勢必引導設計創(chuàng)新，最終使設計適應需求和環(huán)境。

　　模態(tài)剛度的影響。不同結構有其固有的模態(tài)和剛度，在面積一定的情況下，球狀結構比立方體結構模態(tài)和剛度都高，立方體結構又優(yōu)于長方體結構，模態(tài)應力高的部位往往就是引起振動疲勞破壞的部位，剛度突變的部位也是引起強度破壞的部位，其內在強度薄弱點在外在載荷作用下綜合表現(xiàn)強度屬性。

　　表面質量的影響。表面粗糙度越差，越容易形成初始裂紋，引導裂紋生長，引起強度早期破壞；而且根據制造工藝，表面材料屬性與內在機體材料屬性存在較大差異，增加了強度數(shù)值仿真的難度，也是分析誤差的一個直接原因。

　　影響強度的因素從外部載荷的外因分析，影響是很大的。

　　載荷及載荷傳遞路徑影響。雖然結構設計本身埋下了模態(tài)應力薄弱點和剛度突變應力薄弱點，但不同工況載荷對這些薄弱點的激發(fā)程度不同。例如垂向沖擊載荷和轉彎時側向載荷引起的應力薄弱位置就差異很大，于是外部載荷對強度的影響是個性化的，不能簡單地用累積損傷等效代替。城市貨車很少走定遠試驗場的路拱路，用路拱路的損傷值等效城市貨車的道路載荷損傷，疑問很大。另結構設計本身決定了載荷的傳遞路徑和作用方式。動物的關節(jié)是很科學的，有骨頭、有肌肉、有皮、有筋，即使斷了，還有相連的，安全性好很多，而且微觀結構復雜，最輕且省材料。動物關節(jié)最重要的功能是減少沖擊和分解載荷，減少沖擊的能力很強，這種減少沖擊的結構不是簡單的彈簧和減震器的組合，例如貓科動物的肢體關節(jié)，是**的行駛系。

　　不同的載荷類型可以在不同角度考察汽車結構的強度。

　　極限載荷，是汽車在使用環(huán)境下的極端瞬間載荷，例如車輛經常單獨或同時考慮沖擊、扭轉、制動、轉彎條件下**載荷。用極限載荷可以在設計早期分析強度性能，可以很好地預測應力薄弱部位；可以在設計早期就通過設計改進創(chuàng)新避免和減輕這些應力薄弱部位。

　　簡單循環(huán)載荷，是基于一定頻率的某一個或少數(shù)幾個大小和方向循環(huán)變化的載荷。用簡單循環(huán)載荷可以預測在不同循環(huán)載荷作用下反復變形部位引起的疲勞薄弱部位，是設計引起的剛度突變部位和外部載荷作用部位共同作用下引起的結構疲勞薄弱部位。

　　道路載荷，是汽車行駛在不同路面上受到的載荷、分為用戶道路載荷、試驗場道路載荷。由于用戶道路載荷的復雜性，用什么樣的道路載荷是影響汽車設計成本的很關鍵因素，道路載荷的采集、處理需要耗費很大的人力物力和很長的時間，試驗場道路與用戶道路相關實在是一個難題，即使有累積損傷等效的理論、也不能解決不同工況載荷作用引起強度薄弱部位不同的難題。表面上看用用戶道路分析和試驗最容易使人信服，最與用戶貼心，實質上用什么樣的道路載荷代表什么樣的用戶很難概括，地球村地理復雜，氣候復雜，車輛用途復雜，法規(guī)要求復雜，駕駛習慣多樣，合理分類用戶道路就很難，用試驗場道路強化試驗替代用戶道路試驗就會存在更大的誤差。進行龐大系統(tǒng)的試驗會有很高的成本與時間的代價。于是要研究典型用戶道路載荷引起的損傷和損傷部位，不能盲目使用強化試驗。

　　3.2基于內外因影響的結構強度分析策略

　　汽車產品開發(fā)經歷幾大階段：產品規(guī)劃、概念開發(fā)、設計工程、零部件試制試驗、樣車試制試驗、生產準備、試銷批產。虛擬樣車設計階段從整車總布置到零部件詳細設計，實物樣車試制階段從零部件試制試驗到整車裝調和試驗。在虛擬樣車設計階段做充分的數(shù)值模擬，科學保證設計結構本身這個內因的合理性，可以大量減少設計失誤，可以減少后期的實物試驗，是結構強度分析的重點階段。在實物樣車試制階段要做必要的零部件和整車試驗，同時將數(shù)值模擬與實物試驗結合使用，使數(shù)值模擬與實物試驗相輔相成互相標定和驗證準確度。失敗的強度設計發(fā)現(xiàn)越早，引起的成本越小，于是早期的數(shù)值模擬解決設計結構內因問題非常重要。后期的實物實驗是一種重要補充和驗證。

　　早期解決設計結構內因問題的策略如下：

　　用極限載荷檢驗設計結構強度薄弱部位，改進強度薄弱部位。

　　極限載荷一方面以汽車實際使用條件下的極限載荷體現(xiàn)，如沖擊、扭轉、轉彎、制動等工況的極限載荷，又要充分大到能體現(xiàn)結構設計強度薄弱部位。例如重型卡車實際轉彎的**加速的應該在0.4g左右，而要充分體現(xiàn)其設計結構的強度薄弱環(huán)節(jié)，側向加速度的要增加到0.8g的極限狀況。用極限載荷可以在設計早期預測靜態(tài)強度薄弱部位并改進設計結構，減少強度破壞內因。

　　用簡單循環(huán)載荷檢驗結構反復變形的疲勞強度薄弱部位，改進疲勞強度薄弱部位。

　　疲勞是動載荷激勵下有反復變形才造成的強度薄弱，用極限靜態(tài)載荷不能合理體現(xiàn)疲勞部位，又因設計早期缺少正向車道路載荷，用簡單循環(huán)載荷是一種經濟、**、快捷的疲勞危險部位預測方法，可以在設計早期預測疲勞強度薄弱部位并改進設計結構，減少強度破壞內因。

　　用自由模態(tài)下模態(tài)應力高的部位預測振動疲勞發(fā)生部位，改進振動疲勞薄弱部位。

　　自由模態(tài)揭示汽車零部件的振動特性，而約束模態(tài)影響因素太多，不準確。自由模態(tài)下模態(tài)應力薄弱部位往往就是共振發(fā)生時振動疲勞薄弱部位，于是在設計早期關注激振頻率下模態(tài)應力薄弱部位，改進設計結構，就能一定程度減少產生共振疲勞的內因。

　　中后期解決載荷外因的策略如下：

　　規(guī)定典型用戶道路載荷采集標準

　　由于地球村地理復雜，氣候復雜，車輛用途復雜，法規(guī)要求復雜，駕駛習慣多樣，有必要針對不同種類車輛對典型用戶道路載荷采集實施標準化規(guī)定。規(guī)定道路是容易的，規(guī)定道路載荷就附加了車輛用途、車況、駕駛習慣、環(huán)境溫度等。比如規(guī)定了車況、行駛速度、環(huán)境溫度和駕駛習慣的一定坡度的上下坡道路載荷；比如規(guī)定了車況、行駛速度、環(huán)境溫度和駕駛習慣的彎曲道路載荷；比如規(guī)定了車況、行駛速度；比如規(guī)定了車況、行駛速度、環(huán)境溫度和駕駛習慣的山區(qū)道路載荷；比如規(guī)定了車況、行駛速度、環(huán)境溫度和駕駛習慣的礦山道路載荷；比如規(guī)定了車況、行駛速度、環(huán)境溫度和駕駛習慣的鄉(xiāng)村道路載荷等，以及與之等效的強化試驗場道路載荷。道路載荷采集不標準化，意味著用戶道路變化不能窮盡，成本和時間是無邊的。

　　有了標準化的典型用戶道路載荷，可以根據車輛用途選取標準化的用戶道路載荷，可以用放大載荷實現(xiàn)快速強化。

　　用試驗場道路載荷檢驗極限強度薄弱部位和疲勞強度薄弱部位。

　　試驗場設定了各種典型和極限路面情況，所以用試驗場驗證包括了極限強度薄弱部位驗證和疲勞強度薄弱部位驗證。由于其典型和極限路面的屬性，某些試驗場道路載荷驗證里程一定要短，否則不僅成本高，也代表不了典型用戶，是盲目的。而那些能體現(xiàn)用戶道路載荷作用下疲勞強度薄弱部位的試驗場路面才可以作為損傷等效的強化試驗路面。對于汽車零部件承受的極限載荷，由于用戶道路發(fā)生頻次低，發(fā)生疲勞破壞的危險性就低，用適當?shù)陀趶姸葮O限的應力標準評價較為合理。對于汽車零部件頻繁承受的循環(huán)交變載荷，要用與用戶道路載荷強度薄弱環(huán)節(jié)相符的法定試驗場道路載荷驗證，且用損傷等效的方法確定試驗場里程。

　　其它解決強度問題策略如下：

　　用結構設計創(chuàng)新改善載荷傳遞

　　賽車比賽中，在道路兩旁布滿了泡沫材料保護賽車手安全，核心作用是緩沖力的沖擊。解決載荷傳遞的問題一方面是力的緩沖，另一方面是力的分解。貓科動物的爪部有很厚的肉墊，腿腳的關節(jié)間隙很大，活動靈敏，有肌肉和筋的彈性緩沖和限位，有血管通路的動能輸送，有潤滑粘液，有神經網絡控制系統(tǒng)，能很好地緩沖和分解力，于是小貓可以承受高處墜落的沖擊力。可見力的傳遞路徑多么重要，對設計改進創(chuàng)新是一種自然力的啟示。

　　用標桿車的強度水平作為強度判斷相對標準

　　由于汽車是百年基業(yè)，市場中經過檢驗的**車型比比皆是，正向設計車型往往是某款市場成熟車型的改進，于是這款市場中的標桿車的強度水平就是很重要的強度判斷相對標準。

　　相對標準評價意味著車型相似、載荷工況相近，在可比條件下用標桿車的應力水平判斷正向車的應力水平是否存在危險隱患。

　　由于標桿車上市存在已經多年，且標桿車因設計繼承性也不是**無缺，用標桿車強度水平作為相對判斷標準也要研究和謹慎，取其精華，去除糟粕，真正從逆向設計走向正向開發(fā)。

　　根據具體問題采用合適的強度判斷基本標準

　　結構強度根據載荷作用不同應該有不同的強度判斷標準。強度分為抗拉、抗壓、抗彎、抗扭，抗剪切、抗疲勞。

　　對于疲勞應力部位，要采用基于S-N或E-N曲線的疲勞極限或安全系數(shù)判斷。

　　對于不希望有塑性變形的部位，要采用材料屈服極限判斷。

　　對于很少有的極限強度薄弱部位，有時可以采用有一定安全系數(shù)的材料強度極限判斷。

　　結構的強度屬性基本依結構和材料本身確定了，在外載荷作用下昭顯出來。解決結構設計和材料屬性就是解決內因，是關鍵。外部載荷有規(guī)律，卻因應用場合的不同而難以控制，保證絕大多數(shù)能覆蓋用戶環(huán)境就足矣。

　　跟蹤用戶強度質量故障信息

　　跟蹤用戶強度質量故障信息，將強度質量故障信息排序，依據重要度和發(fā)生頻次解決主要強度質量問題，問題越解決越少，強度質量越來越好，不斷改善。

　　4基于內外因影響的結構強度分析策略帶來的有益效果

　　4.1有助于汽車產品開發(fā)不同階段保證強度性能

　　結構強度分析策略分析和提出了汽車產品開發(fā)不同階段的強度分析實驗方法，從結構設計內因和載荷作用外因入手解決強度問題，很好地保證了汽車產品開發(fā)不同階段的汽車強度性能，減少了不當設計，減少了實物實驗，有助于明了設計功能和性能，有助于汽車產品開發(fā)能力提升。

　　4.2有助于降低成本

　　結構強度分析策略用不同分析實驗方法檢驗結構設計的抗極限載荷作用能力、抗振動疲勞能力、抗道路載荷疲勞能力，提出了在設計早期改善結構設計強度薄弱部位。不是單純驗證產品強度狀態(tài)，避免了盲目開模具，也不盲目大量進行道路載荷采集和臺架實驗，把企業(yè)的每一分錢財用在了刀刃上，在時間和成本上都有很大節(jié)約。

　　4.3有助于設計創(chuàng)新

　　本著改變結構內因和載荷傳遞路徑的意圖，激發(fā)了創(chuàng)新思路，有多項獨特設計萌生，申報了國家專利。例如復合懸置、球形概念車等。

　　5結論

　　學習、研究、進步是技術工作開展的不同階段，經過十余年的強度分析歷練，從學習有限元分析方法，到配合強度試驗進行對標分析，把有些簡單問題深入研究了，把一些復雜問題簡單化了。把強度分析落實在了改善結構設計和改善載荷作用方面了。而**的設計是相對的，受著時代和智慧的制約，能滿足用戶需求和改善生活是核心動力。真正的先進技術不能完全靠學習得來，學習就意味著跟著某種先進，而不是引**進，只有通過學習、研究、創(chuàng)新，才能實現(xiàn)技術**，在這個領域伸直腰板。
來源：http://articles.e-works.net.cn/cae/

資訊來源：http://articles.e-works.net.cn/cae/